基于DSP+CPLD的電動舵機控制系統的設計

陳 誠，陳曉平，王識君

(江蘇大學 電氣與信息工程學院，江蘇 鎮江212000)

基于DSP+CPLD的電動舵機控制系統的設計

陳 誠，陳曉平，王識君

(江蘇大學 電氣與信息工程學院，江蘇 鎮江212000)

設計了一個基于DSP+CPLD的電動舵機控制系統。硬件電路包括控制器、驅動電路、信號檢測電路以及保護電路，完成了對各部分電路的檢測，同時采用了PI控制算法，并對參數進行了調整。采用DSP和CPLD相結合的主控單元，簡化了DSP的外圍電路，減少了DSP消耗的運算資源，并充分運用了CPLD編程的靈活性。實驗結果表明，該電動舵機控制系統運行可靠、穩定，具有較強的實用性。

舵機；DSP；CPLD；控制系統

0 引言

電動舵機是導彈、無人機等飛行器的飛行控制系統的執行機構，飛行器在飛行過程的各種運動姿態都是靠電動舵機帶動舵面偏轉來實現的，其性能的優劣直接影響著飛行器的性能。無刷直流電機、減速器、控制器、驅動電路以及各種傳感器構成了電動舵機控制系統的硬件部分，控制算法采用三閉環PI控制器，它們組成了完整的電動舵機控制系統。

本文結合具體項目，旨在設計出滿足精確性、快速性以及穩定性要求的飛行器舵機控制系統。該舵機控制系統以DSP+CPLD為主控制單元，外圍電路包括電流、轉速、位置信號采集電路以及功率放大電路等。舵機系統是一種位置伺服系統，由下位機接收飛控計算機發來的位置和方向信號，經過處理之后輸出PWM信號，經功率放大電路驅動直流無刷電機帶動舵面按照要求的方向和位置運動，從而準確控制飛行器的飛行姿態。

1 硬件電路設計

舵機控制系統的硬件電路包括主控制器、功率驅動電路、信號檢測電路、電流保護電路以及串口通信電路等。該系統的硬件組成如圖1所示。

1.1 微控制器

采用TI公司生產的TMS320F 2808型DSP和LATTICE公司生產的LC4128型CPLD作為主控單元。

TMS320F 2808型 DSP有如下優點：(1)100 MHz主頻，運算速度能夠滿足飛行器舵機控制器處理速度的要求；(2)多達6路的增強型PWM（ePWM）模塊，適合應用于電機驅動；(3)支持SCI、SPI以及eCAN，方便與其他設備通信。

CPLD具有編程靈活等優點，本設計中采用CPLD輸出控制電機的PWM信號，處理電流保護電路信號以及

實現電機的換向邏輯，簡化了 DSP的外圍電路，減少了DSP消耗的運算資源，使得 DSP能更好地完成電動舵機控制算法。

圖1 電動舵機硬件系統

1.2 功率驅動電路

功率驅動電路是電機控制的重要組成部分，采用三相全橋逆變電路，由6個IGBT組成。驅動芯片選擇ADI公司生產的半橋驅動芯片ADuM7234。ADuM7234有如下特點：驅動電壓可以達到350 V；4 A的峰值輸出電流；支持高達1 MHz的開關頻率；提供了驅動芯片禁止信號，可以在檢測到電機運行異常狀態時關斷驅動芯片輸出。單個半橋驅動電路如圖2所示。設計了D1、C2組成的自舉電路，當Q1關斷、Q2導通時VCC通過D1給C2充電，當Q1導通時VS端的電壓升高到約為DC，而電容C2兩端的電壓基本不變。因此VB端的電壓隨著VS端的電壓升高而浮動，從而實現自舉功能。D1的作用是Q1關斷時為電容提供正向電流通道，而當Q1導通時可以防止反向電流倒灌入15 V。根據開關頻率，C2應該選取合適的電容值，以確保自舉電路能正常工作。

圖2 驅動電路

1.3 電流檢測和電流保護電路

1.3.1 電流檢測電路

電流檢測選取Allegro公司的ACS714芯片，該芯片基于霍爾原理檢測流經的電流。電流檢測電路如圖3所示，其中引腳IP+和IP-串聯在電機繞組回路中，FILTER引腳用于接外部電容C2，與芯片內部電阻構成RC低通濾波器從而調節芯片的帶寬。

圖3 電流檢測電路

當電流流過時，通過內部調理電路，芯片輸出一個與電流值成比例關系的模擬電壓值，輸出電壓幅值為0.5 V～4.5 V。假設電流傳感器的電流測量范圍為-Imax～+ Imax，根據芯片特性，VCC×0.5=2.5 V時表示 0電流值，0.5 V時表示-Imax，4.5 V時表示+Imax，實際電流為：

由于DSP的ADC采樣電壓最高為3 V，因此將電流傳感器的輸出電壓經同相比例放大器縮小到原來幅值的 3/5,此時輸出的電壓幅值為 0.3～2.7 V，1.5 V代表 0電流值。最終由DSP的ADC采樣到輸出電壓值，即可計算出電流。

1.3.2 電流保護電路

電流保護電路由兩個施密特比較器組成，圖4給出了保護電路原理圖。

圖4 電流保護電路

其中，兩個參考電壓ref1= 2.7 V、ref2=0.3 V，由 3.3 V通過精密電阻分壓得到。兩個比較器的作用是將前面電流檢測電路的輸出 VI_1與兩個參考電壓作比較，當電流高于+Imax， 即 VI_1高于2.7 V時，比較器1U2輸出低電平，當電流低于-Imax時，即VI_1低于 0.3 V時，比較器1U3輸出低電平。這兩個比較器中的任意一個輸出為低電平時，即產生錯誤信號FAULT1或FAULT2時，CPLD會及時關斷PWM輸出，同時發送DISABLE信號關斷驅動芯片以保護IGBT和驅動芯片。

1.4 速度和位置檢測電路

舵機控制最外環也是最重要的一環就是位置環，因此舵面的位置檢測是否精準直接影響著整個控制系統

的性能。速度和位置檢測采用旋轉變壓器，旋轉變壓器抗干擾能力強、可靠性高、測量精度高，在速度和位置檢測上有較大的優勢。旋轉變壓器由勵磁繞組和輸出繞組組成，當勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組的電壓與轉子轉角成正余弦函數關系。

旋變信號的解碼還需借助于旋變解調芯片，選取了ADI公司的 AD2S1210旋變解調芯片，芯片引腳如圖5所示。其中EXC和為片上振蕩器提供的一對互補的正弦波激勵信號，信號的頻率可通過片上激勵頻率寄存器進行編程，信號幅度為 3.6 Vp-p。由于該幅值較小，因此通過外部放大電路將該信號放大以后提供給旋變勵磁繞組,勵磁電壓 Vp×sinωt，其中 Vp為信號幅度，ω為勵磁角頻率。COS、COSLO和SIN、SINLO分別為旋轉變壓器輸出繞組余弦、正弦差分輸出信號，信號值分別為Vs×sinωt×cosθ和 Vs×sinωt×sinθ，其中 Vs為轉子激勵幅度，θ為轉子角度。輸入正弦信號與余弦信號經過解調芯片內部的Type II型環路跟蹤電路解算出旋變轉子的速度和位置，結果存放在相應的速度和位置寄存器中，最終寄存器中的內容通過SPI通信發送給DSP。

圖5 旋變解調芯片AD2S1210

2 軟件設計

軟件由兩部分構成，一部分是用C語言編寫的DSP程序，主要包括位置環、速度環和電流環PI控制算法，AD采樣程序，通信程序；另一部分是采用 Verilog編寫的CPLD程序，完成電流保護和電機的換向。軟件設計整體的思路為：DSP接收上位機發送的方向指令和位置指令，在程序的每個運行周期比較位置給定值與測回的實際位置，得到的位置誤差經過位置環PI控制器解算出速度給定值，經過速度環PI控制器和電流環PI控制器得到一個PWM，將該PWM和接收自上位機的方向信號發送到CPLD，最終，CPLD根據給定方向的換向邏輯按次序發送PWM,控制電機運行。軟件流程如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

3 實驗結果

實驗樣機采用MAXON公司的EC-Max系列的272768型無刷直流電機，電機參數如下：額定轉速為7 210 rpm；額定最大連續電流為 1.5 A；額定轉矩為 34.3 mN.m；相到相電阻為3.65 Ω；相到相電感0.31 mH。傳動機構減速比為7 100：17。實驗結果如圖7所示，其中，位置給定曲線是擺幅為±20°、頻率為5 Hz的正弦信號。從圖中可以發現，舵機位置輸出能夠很好地跟蹤位置給定曲線，幅值基本無衰減，相位滯后小于10°。因此，本文設計的舵機控制系統是穩定、可靠的。

圖7 舵機位置跟蹤曲線

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Design of actuator control system based on DSP and CPLD

Chen Cheng，Chen Xiaoping，Wang Shijun
(School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212000，China)

An actuator control system based on DSP(Digital Signal Processor)and CPLD (Complex Programmable Logic Device)is designed.The hardware circuits consists of controller,drive circuits,signals detection circuits and protection circuits,detecting ofthese circuits has been accomplished.Three closed loop PI algorithm is used and the PI parameters have been adjusted. Using the controller combined by DSP and CPLD not only simplifies the peripheral circuits ofDSP,but also reduces the computing resources consumed by DSP and utilizes the flexibility of programming of CPLD.The experimental result shows that the actuator control system is reliable and stable and it has strong practicability.

actuator；DSP；CPLD；control system

TM3

A

0258-7998(2015)04-0084-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.04.019

2014-12-16)

陳誠（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：電機控制系統設計。

陳曉平（1956-），女，教授，主要研究方向：線性系統理論。

王識君（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：電機控制器設計。